Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

Заключение

В данной монографии обсуждаются биокаталитические системы, осуществляющие получение энергоемких соединений, используемых в качестве топлив; системы, способные провести превращение световой энергии в энергию химической реакции; системы, способные трансформировать потоки стабильных молекул в потоки ионов и электронов и тем самым осуществить превращение энергии химической реакции в электрическую форму.

Необходимость постановки научно-исследовательских работ в этой области диктуется прогрессирующим дефицитом энергетических ресурсов. Познание способов трансформации энергоемких молекул ферментными системами позволяет надеяться разработать в будущем принципиально новые энергетические устройства, имеющие эффективность преобразования энергии, близкую к эффективности энергетических процессов в живых системах.

Анализ долговременных тенденций в развитии энергетики показывает, что в ближайшие десятилетия широкое развитие будут иметь способы трансформации энергии с получением и использованием молекулярного водорода - энергоемкого, транспортабельного и экологически чистого топлива. Принципиальные изменения в энергетике будущего связаны с широким промышленным освоением солнечной энергии. Большое внимание будет уделено высокоэффективным способам преобразования топливной энергии, прежде всего развитию топливных элементов, обладающих высокими коэффициентами полезного действия. Эти выводы в значительной степени обусловили выбор объектов и направлений исследований, обсуждаемых в данной монографии.

Мы исходили из положения, что определенный вклад в решение этих проблем могут внести биокаталитические системы. Какова же роль обсуждаемых систем в общем круговороте трансформации различных форм энергии одной в другую? Какой вклад они вносят и могут внести в общий энергетический баланс? Развитие каких систем представляется наиболее интересным и перспективным?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим основные взаимоотношения и современные пути трансформации энергии в различных формах. Существующие и прогнозируемые потоки трансформации энергии в виде некоторого графа представлены на рис. 89. В настоящее время лишь три основных источника могут рассматриваться в качестве первичных источников энергии. Это энергия ископаемых топлив, ядерная (термоядерная) энергия и энергия солнечной радиации. На современном этапе трудно количественно прогнозировать относительные интенсивности потоков энергии в будущем, однако по мере истощения топливных энергетических источников (нефти, газа, угля) возрастает роль атомной (термоядерной) и солнечной энергии (см. гл. I). При этом солнечная энергия более "совместима" с биологическими системами.

Рис. 89. Пути трансформации энергии
Рис. 89. Пути трансформации энергии

На схеме рис. 89 сплошными линиями изображены существующие технологические способы конверсии различных форм энергии, пунктирными - разрабатываемые в настоящее время или прогнозируемые в будущем. При этом каждый этап преобразования энергии охарактеризован коэффициентом полезного действия.

Энергия в различных формах имеет различную потребительскую стоимость. На рис. 89 представлена условная иерархическая последовательность "ценности" различных форм энергии. Во многих отношениях электроэнергия - одна из наиболее "удобных" и чистых форм энергии. Однако наибольшую ценность представляют энергоемкие метаболиты, обеспечивающие локальную "энергетику" каждого живого организма. Речь идет о пищевых продуктах. Значительная, если не большая доля всей энергии, используемой человечеством, так или иначе расходуется на получение, транспортировку, распределение "энергии для жизни".

В настоящее время лучше всего разработаны пути трансформации энергии топливо - механическая энергия - электроэнергия и солнечная энергия - фотосинтез - сельскохозяйственное производство - пищевые продукты. Наиболее "сложным узлом" на схеме рис. 89 является преобразование энергии в сельскохозяйственном производстве. В настоящее время путь через сельскохозяйственное производство является единственным путем, обеспечивающим получение энергии в виде пищевых продуктов. Видно, что эффективность преобразования энергии по такому пути исключительно низка. Около 99% энергии тратится на уровне фотосинтеза, при этом само сельскохозяйственное производство является весьма энергоемким и на каждую запасенную калорию расходуется более 10 калорий топливной, механической и электрической энергии (см. рис. 1).

Использование биокаталитических систем позволяет наметить альтернативные пути получения "энергии для жизни". Наиболее простой путь в настоящее время, реализуемый на технологическом уровне, связан с гидролизом полисахаридов с помощью ферментов. Речь идет о гидролизе крахмала и целлюлозы до низкомолекулярных углеводов. Принципиально новые возможности открывает использование явления биоэлектрокатализа (см. гл. IV), позволяющее в принципе "сопрячь" электроэнергию с получением приемлемых энергоемких метаболитов. В настоящее время процессы такого рода еще не реализованы, однако идея создания систем, конвертирующих топливную или ядерную энергию в "энергию для жизни" через биоспецифический электросинтез с коэффициентами преобразования в десятки процентов, выглядит весьма привлекательной. На этом пути предстоит решить большой комплекс научных и инженерных задач, однако в настоящее время можно обоснованно ставить проблему разработки систем "электропитания" живых организмов in vivo и in vitro.

Биокаталитические системы на технологическом уровне используются при конверсии солнечной энергии в топливную форму. Речь идет о получении метана и топливного этилового спирта из целлюлозосодержащего сырья. Представляет интерес также разработка биокаталитических систем, конвертирующих солнечную энергию в топливную форму путем биофотолиза воды (см. гл. III). Заманчиво создание биохимических топливных элементов, в которых ферменты используются как катализаторы электродных процессов (см. гл. IV).

Можно с уверенностью утверждать, что по мере роста наших знаний о путях и механизмах трансформации энергии биокаталитическими системами их роль в общем энергетическом балансе возрастает.

Целью данной монографии было обсуждение ряда физико-химических аспектов действия систем биоконверсии энергии. На каталитическом уровне исследовался феномен образования водорода в биосистемах. Центральное место в механизмах получения и использования водорода микроорганизмами занимают гидрогеназы - катализаторы образования и активации молекулярного водорода. Проведен анализ кинетики и механизма катализа гидрогеназами, изучен постадийный механизм действия этого класса катализаторов; получена информация о механизме активации водорода и определены константы скоростей элементарных стадий процесса. На основе этих данных постулирован молекулярный механизм трансформации водорода гидрогеназами.

Гидрогеназы были иммобилизованы в полимерные матрицы, и проведено изучение полученных таким образом гетерогенных катализаторов образования водорода. Гидрогеназы исследовались как катализаторы образования водорода в клетках микроорганизмов, как терминальные ферменты образования водорода в сопряженных полиферментных цепях. Гидрогеназы являются катализаторами в разработанных системах фоторазложения воды на водород и кислород. Наконец, гидрогеназы изучены в электрохимических системах, в которых они играли роль катализаторов превращения водорода в разделенный поток электронов и ионов при конверсии энергии химической реакции в электричество.

Идейный базис настоящей монографии составляет химическая кинетика. Развитие теоретических и экспериментальных методов химической кинетики позволяет ставить и решать задачи, связанные с анализом механизмов процессов в достаточно сложных системах, в частности в системах биоконверсии энергии.

Кинетическими элементами систем биоконверсии энергии являются ферменты. Выше дан общий анализ абсолютных скоростей ферментативных реакций констант скоростей лимитирующих и быстрых, нелимитирующих стадий. Этот анализ позволяет определить границы эффективности ферментативного катализа как природного феномена и, следовательно, границы эффективности и производительности систем с участием ферментов.

Изучение систем получения и использования водорода позволило сформулировать и решить ряд общих вопросов кинетики и механизма действия ферментов и полиферментных систем. Фактически процессы получения и использования водорода с помощью биокаталитических систем послужили модельными системами, исследование которых обеспечило решение ряда общих задач химической кинетики биопроцессов.

Были исследованы закономерности ферментативных реакций в гетерогенных системах для случая последовательных реакций. С учетом эффектов диффузионного массопереноса компонентов реакции сформулирована и экспериментально проверена двухзонная модель протекания процесса.

Дальнейшее развитие получила кинетика действия ферментов в открытых системах, в частности проанализированы закономерности протекания процессов в нестационарных режимах. На основе этих представлений развита модель клеточных процессов, в которых бактериальная клетка рассматривается как мембранный микрореактор. В рамках этой модели исследованы и интерпретированы кинетические закономерности образования водорода клетками микроорганизмов, развита кинетическая теория полиферментных систем. С точки зрения процессов конверсии энергии особый интерес представляют реакции электронного транспорта в биологических системах. Выше сформулированы и кинетически проанализированы модели электронного транспорта в полиферментных цепях. Выявлены инвариантные свойства электронотранспортных процессов, не зависящие от используемой модели, а также параметры, позволяющие разграничить модель с бимолекулярными стадиями и модель переноса электрона по структурированным цепям переносчиков электронов.

Фундаментальная особенность систем с участием биокатализаторов заключается в их кинетической нестабильности. В настоящее время развита кинетическая теория инактивационных процессов в биокаталитических системах, основанная на теории надежности физических систем. Получен ряд кинетических уравнений, описывающих инактивацию ферментов и полиферментных систем. На основании теории надежности сформулировано представление о двух принципиальных механизмах инактивации систем: внезапном отказе по принципу "все или ничего" и постепенном отказе со скрытым накоплением дефектов. Полученные выводы иллюстрируются в монографии экспериментальными результатами по кинетике инактивации ферментов и полиферментных систем.

Большое внимание уделено созданию и изучению систем биофотолиза воды. Проведена теоретическая оценка предельных коэффициентов полезного действия и производительностей систем фоторазложения воды на кислород и водород в системах с участием электронотранспортной цепи фотосинтеза. Разработаны модельные системы на основе изолированных хлоропластов, низкомолекулярного переносчика электрона, бактериальных гидрогеназ. Проведено изучение кинетических закономерностей процессов в такого рода системах. Детально исследованы кинетика и механизм инактивационных процессов и разработаны методы стабилизации электронотранспортной цепи фотосинтеза.

Показана принципиальная возможность биофотолиза воды в системах микроорганизмов с участием фотосинтезирующих микроводорослей и анаэробных продуцентов водорода.

В монографии обсуждается феномен биоэлектрокатализа - явления ускорения ферментами электродных процессов. Разработана кинетическая теория катализа ферментами электрохимических реакций, охарактеризованы взаимосвязи кинетических параметров ферментов и макрокинетических характеристик электродов с их электрохимическими характеристиками. Для биоэлектрокатализа обсуждается проблема переноса электронов между активным центром окислительно-восстановительных ферментов и электродом. Рассмотрены два механизма такого рода процессов: 1) механизм с использованием низкомолекулярного диффузионно подвижного медиатора; 2) механизм прямого электрохимического окисления - восстановления активных центров ферментов. Экспериментально реализованы оба механизма сопряжения ферментативных и электродных процессов. Медиаторный механизм переноса электронов использовался в системах с гидрогеназой, пероксидазой, лакказой. Электрокатализ с участием прямого электронного обмена активного центра фермента с электродом реализован в системах с лакказой и гидрогеназой, иммобилизованной в полупроводниковый носитель.

Принципиальным шагом вперед в исследовании биоэлектрокаталитических эффектов явилась разработка полупроводниковых носителей для иммобилизованных ферментов. В монографии обсуждаются электронпроводящие матрицы для иммобилизации ферментов. Изучены свойства иммобилизованной в эти матрицы гидрогеназы и показано, что гидрогеназа может играть роль электрокатализатора с переносом электронов по пути активный центр фермента - электронпроводящая матрица - электрод.

Изучены процессы электрохимического восстановления кислорода с помощью ферментов. Детально исследован процесс электрокатализа реакции иммобилизованной лакказой. В этом случае механизм электрокатализа включает стадию прямого переноса электронов из электрода на активный центр фермента.

Принципиально новые возможности открывает использование биоэлектрокаталитических эффектов для изучения механизмов действия окислительно-восстановительных ферментов. На основе методов электрохимической кинетики изучен механизм катализа восстановления молекулярного кислорода с помощью лакказы. Полученные данные позволили постулировать молекулярную модель действия катализатора.

Анализируются перспективы использования биоэлектрокаталитических эффектов для создания биохимических топливных элементов, систем электросинтеза и электрохимических сенсоров.

Таким образом, в настоящей монографии обсуждается круг проблем, связанных с разработкой принципиально новых источников энергии. Исследованные системы включают процессы получения водорода, трансформации световой энергии в топливо, процессы обратимой конверсии энергии химических реакций в электрическую форму. Рассмотренный комплекс проблем дает количественный базис для разработки принципиально новых преобразователей энергии, использующих в качестве кинетических элементов высокоактивные и специфические биологические катализаторы.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'